(57)【要約】【課題】  高含水性の粘性土壌の地盤に、経時的劣化の少ない、高強度の地盤改良体を造成する施工方法、および施工装置を提供することを目的とする。【解決手段】  高圧噴射撹拌工法において、粘性土壌を撹拌する際に、高温度の空気Ａを地盤改良対象の地盤１２に高圧噴射することで粘性土中の水分Ｗを強制的に気化させ、水蒸気ＷＡとして地表に排出することによって改良対象土壌の含水比を下げることで、土粒子と改良材との均等な撹拌混合を実現することにより、経時的劣化が少ない、高強度の地盤改良体を造成する。【選択図】  図２
2006283342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粘性土壌の地盤改良における撹拌噴射工法であって、
前記工法は、
改良対象層の土壌に加熱空気を噴射しながら前記土壌を撹拌し、前記土壌の含水比を低下させ、前記含水比の低下した土壌に粉粒状の改良材を空気により噴射し、前記含水比の低下した土壌と前記改良材とを撹拌混合する工程を含む、
撹拌噴射工法。
【請求項２】
前記工程は、
改良対象層の土壌に加熱空気を噴射しながら前記土壌を撹拌し、前記土壌の含水比を低下させる工程と、
前記含水比の低下した土壌に粉粒状の改良材を空気により噴射し、前記含水比の低下した土壌と前記改良材とを撹拌混合する工程とを含む、
請求項１に記載の撹拌噴射工法。
【請求項３】
前記土壌の含水比を低下させる工程は、前記加熱空気の噴射によって土壌から放出された水蒸気を、注入ロッドの内部に構成されたスクリューオーガを収容する空隙部を通して地表に排出する工程を含む、
請求項１または２のいずれか１項に記載の撹拌噴射工法。
【請求項４】
前記加熱空気は、前記注入ロッドに圧送された空気が、前記注入ロッドの噴射ノズル近傍に設けられた熱源から熱の供給を受けて生成される、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の撹拌噴射工法。
【請求項５】
前記改良材は、セメント系固化材である、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の撹拌噴射工法。
【請求項６】
粘性土壌の地盤改良における撹拌噴射工法に用いられる地盤改良装置の注入ロッドであって、
前記注入ロッドは、外管と内管とを含み、
前記内管は、地中側端部に噴射ノズルと撹拌翼とを備え、外周部にスクリューオーガを形成しており、
前記内管は、前記外管に挿設され、前記内管と前記外管との間に土壌から放出された水蒸気を排出するための空隙部を画成する
地盤改良装置の注入ロッド。
【請求項７】
前記内管は、前記噴射ノズルの近傍に熱源部材を備えており、前記熱源部材は、電熱部材と断熱部材とを含み、前記断熱部材は、前記電熱部材に対し地表側に設けられている、
請求項６に記載の地盤改良装置の注入ロッド。
【請求項８】
粘性土壌の地盤改良における高圧撹拌噴射工法に用いられる地盤改良装置であって、
前記地盤改良装置は、請求項６または７のいずれか１項に記載の注入ロッドを備える地盤改良装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤改良に用いて好適な高圧噴射撹拌工法の施工方法および施工装置に関し、詳しくは、高含水性の粘性土壌の地盤改良において、粘性土の撹拌効率を向上させることによって、高強度の地盤改良体を造成する高圧噴射撹拌工法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、軟弱地盤を改良するために、地中に注入ロッドを貫入し、固化材と水とを混ぜたスラリー状の地盤改良材を高圧噴射するか、粉粒状の地盤改良材を空気を伴って高圧噴射することで、改良対象の地層の土粒子と改良材とを撹拌混合して化学的に反応させ、改良材の水和・固化作用により、円柱状の地盤改良体を造成する、いわゆる高圧噴射工法が行われていた。しかし、改良対象の地盤が高含水性の粘性土である場合、スラリー状の改良材を使用して攪拌しようとすると、水量を必要以上に増やし粘着性を低下させるため、水セメント比の関係から添加する固化材の量も増加し不経済になっている。また、粉粒状の改良材を高圧噴射しようとすると、土の粘着性が障害となって、空気による高圧噴射だけでは改良材と土との撹拌混合が充分に行われないことが多いため、注入ロッドの地中側端部に腕木形式の撹拌翼を設けて、粘性土を機械的に強制撹拌しながら改良材を高圧噴射する方法がとられている。この方法は、特に、高圧噴射撹拌工法と呼ばれている。しかし、土の粘着性が高い場合にあっては、上述したような機械式撹拌を併用しても、充分な撹拌混合が行われず、改良対象土壌において、改良材の分布にばらつきが生じるため、結果として、強度が均一な地盤改良体を造成することが困難であった。そこで、この問題を解決するため、粘性土の粘着性を低減させつつ、土と改良材を撹拌混合する方法が求められていた。
【０００３】
粘性土の粘着性を低減させる方法として、高炉スラグ微粉末やフライアッシュなどの混和材を土に混入させるという方法、もしくは、過度の水の供給による方法がある。しかし、一般に混和材は高価であること、水量を増やせば水セメント比の関係から固化材の添加量も増加するため、工事原価が高くなる。さらに、混和材を使用する場合には、そもそも混和材と粘性土との練混ぜ撹拌が充分に行われなければ、混和材の能力の充分な発揮が期待できないという問題があった。
【０００４】
粘性土の粘着性を低減させる方法には、さらに、粘性土の含水比を下げるという方法がある。ここで、粘性土の含水比を下げる方法として、石灰系の固化材を土に混入し、主成分である生石灰に土中の水分を吸収させる方法が挙げられる。しかし、石灰系の固化材を土中で使用した場合、地盤改良体固化時の水和反応で生じる水蒸気が土中では逸散できないため、再泥化の懸念があり、長期において強度を維持するのが困難であるという問題があった。
【０００５】
なお、改良材として粉粒体を使用する方法を、特に粉体噴射撹拌工法といい、この工法には、水を使用しないため施工現場が汚れない、改良地盤の盛り上がりが少なくなる等の利点があり、本発明は、基本的に、粉体噴射撹拌工法に準ずるものである。
【０００６】
粉体噴射撹拌工法の施工システムは、一般に、改良材プラントならびに空気圧縮機および発電機、さらに移動可能な改良装置本体を含んで構成される。粉粒体の改良材は、改良材プラントにおいて、空気圧縮機によって圧縮された空気と混合されたのち、所定の配管を経て、改良装置本体の注入ロッドに供給されるようになっている。また、発電機からは、改良装置本体および改良材プラントに対し、種々の動力のための電力が供給される。改良装置本体は、改良対象地盤の地表面上の任意の位置まで移動したのちに固定され、注入ロッドの貫入および引抜きによって改良柱体を造成し、再び、次に任意の位置まで移動する。この工程を繰り返すことによって複数の地盤改良体を造成することで対象地盤の改良を達成する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記、従来の技術的課題に鑑み、本発明は、高含水性の粘性土壌の地盤に、経時的劣化の少ない、高強度の地盤改良体を造成する施工方法、および施工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
粘性土の撹拌効率を向上させるためには、土の粘着性を減少させる必要があり、そのためには粘性土の含水比を下げることが必要となる。ここで、含水比を下げる方法として、粘性土中の水分を強制的に気化させ、水蒸気として地表に逃がすという方法が考えられる。本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、高圧噴射撹拌工法において、粘性土壌を撹拌する際に、高温度の空気を地盤改良対象の土壌に高圧噴射することで粘性土中の水分を強制的に気化させ、水蒸気として地表に排出することによって改良対象土壌の含水比を下げることで、土粒子と改良材との均等な撹拌混合を実現することにより、経時的劣化が少ない、高強度の地盤改良体を造成することが可能であることに着目してなされたものである。
【０００９】
すなわち、本願の発明によれば、
粘性土壌の地盤改良における撹拌噴射工法であって、
前記工法は、
改良対象層の土壌に加熱空気を噴射しながら前記土壌を撹拌し、前記土壌の含水比を低下させ、前記含水比の低下した土壌に粉粒状の改良材を空気により噴射し、前記含水比の低下した土壌と前記改良材とを撹拌混合する工程を含む、
撹拌噴射工法が提供される。
【００１０】
本発明において、前記工程は、
改良対象層の土壌に加熱空気を噴射しながら前記土壌を撹拌し、前記土壌の含水比を低下させる工程と、
前記含水比の低下した土壌に粉粒状の改良材を空気により噴射し、前記含水比の低下した土壌と前記改良材とを撹拌混合する工程とを含む、
撹拌噴射工法とすることができる。
【００１１】
本発明において、前記土壌の含水比を低下させる工程は、前記加熱空気の噴射によって土壌から放出された水蒸気を、注入ロッドの内部に構成されたスクリューオーガを収容する空隙部を通して地表に排出する工程を含む、
撹拌噴射工法とすることもできる。
【００１２】
本発明において、前記加熱空気は、前記注入ロッドに圧送された空気が、前記注入ロッドの噴射ノズル近傍に設けられた熱源から熱の供給を受けて生成することができる。また、本発明においては、前記改良材は、セメント系固化材であることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の他の構成によっては、
粘性土壌の地盤改良における撹拌噴射工法に用いられる地盤改良装置の注入ロッドであって、
前記注入ロッドは、外管と内管とを含み、
前記内管は、地中側端部に噴射ノズルと撹拌翼とを備え、外周部にスクリューオーガを形成しており、
前記内管は、前記外管に挿設され、前記内管と前記外管との間に土壌から放出された水蒸気を排出するための空隙部を画成する
地盤改良装置の注入ロッド、
および、前記注入ロッドを備えた地盤改良装置が提供される。
【００１４】
本発明においては、前記内管は、前記噴射ノズルの近傍に熱源部材を備えており、前記熱源部材は、電熱部材と断熱部材とを含み、前記断熱部材は、前記電熱部材に対し地表側に設けられていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本願の請求項１に記載の発明によれば、粘性土壌と粉粒状の改良材との均等な撹拌混合が可能となり、高含水性の粘性土壌の地盤に、経時的劣化の少ない、高強度の地盤改良体を造成することができる。
【００１６】
本願の請求項２に記載の発明によれば、粘性土壌の含水比を充分に低下させた後に改良材と撹拌混合を行うため、撹拌効率がより向上し、高含水性の粘性土壌の地盤に、経時的劣化の少ない、より高強度の地盤改良体を造成することができる。
【００１７】
本願の請求項３に記載の発明によれば、スクリューオーガによって水蒸気の排出が促進され、粘性土壌の含水比を効率的に低下させることができる。
【００１８】
本願の請求項４に記載の発明によれば、熱源から供給された熱に関し、圧送過程で放熱されて失われる量を最小限にすることができ、粘性土に対し効率的に熱を放射することができる。
【００１９】
本願の請求項５に記載の発明によれば、セメント系固化材が、粘性土中に含まれる水分と反応し安定した水和物結晶を生成するため、土質の強度を増進し、土質を安定させることができる。
【００２０】
本願の請求項６および８に記載の発明によれば、粘性土壌中の水蒸気が効率的に排出し、また土壌撹拌のための動力が、同時に水蒸気排出のために用いられるエネルギー効率の好適な地盤改良装置が提供される。
【００２１】
本願の請求項７および８に記載の発明によれば、供給する電力を調節することで、粘性土に放射される熱量を適宜調節することができ、ひいては粘性土の含水比を調節することで、土質と必要強度に応じた地盤改良体を造成可能な地盤改良装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の高圧撹拌噴射工法の実施の形態を示した図である。本発明の地盤改良装置１０の注入ロッド部１１が、地盤１２に貫入しており、注入ロッド部１１は、外管１４と内管１６とを備え、二重管として構成されている。外管１４および内管１６は、いずれも中空構造となっており、内管１６は、外管１４の中に挿設されている。また、内管１６は、外管１４の内壁と接触することなく、かつ回転可能なように、外管１４に設けられた支持体（図示せず）によって保持されており、外管１４の内壁と内管１６の外壁との間には空隙部が形成されている。この空隙部は、土壌を噴射撹拌した際に発生する水蒸気を地表に排出するための流路として機能する。
【００２３】
内管１６の地中側突端部には、噴射ノズル２０が設けられており、噴射ノズル２０は、圧送される空気および粉体改良材を噴射するための噴射口２２を備えている。噴射口２２は、１つでもよく、また複数個設けられてもよい。内管１６の外壁であって噴射ノズル２０に対し地表方向上側には、噴射ノズル２０に近接して、腕木形式の撹拌翼２４が配設され、撹拌翼２４には、地盤を削孔するために複数の掘削爪２６が配設されている。なお、注入ロッド部１１の内管１６は、地盤１２に貫入する際、図に示すＬ方向に回転するため、掘削爪２６は、Ｌ方向に回転した場合に、地盤１２を地中方向に掘り進むことができるように、所定の角度をもって撹拌翼２４に固定されている。
【００２４】
図１に示されるように、内管１６の外周面２７は、スクリューオーガ２８を構成している。本発明におけるスクリューオーガ２８のより詳細な機能については、後に説明する。内管１６の内部には、後述する電熱棒１８が挿設されていて、電熱棒１８は、内管１６の内壁に接触しないように、内管１６に設けられた支持体（図示せず）によって保持されており、内管１６の内壁と電熱棒１８との間に空隙部が形成されている。
【００２５】
本発明の注入ロッド部１１は、地盤改良を行う対象地層の地盤１２の地表面上の所定位置に位置決めされ、内管１６を回転させる。注入ロッド部１１は、内管１６の回転に伴って、撹拌翼２４に配設された掘削爪２６が地盤１２を掘削し、地盤改良の対象地層の天端に至るまで貫入される。
【００２６】
注入ロッド部１１の地中側突端が天端に到達すると、続いて、改良材プラント（図示せず）から注入ロッド部１１に空気が圧送され、噴射ノズル２０の噴射口２２から加熱空気の噴射が開始される。圧送された空気が加熱空気となって噴射される機構、および、地盤改良の対象地層中の水分を強制的に気化して地表に放出する機構については、以下詳細に述べる。
【００２７】
図２は、注入ロッド部１１が、地盤１２に貫入した状態で、地盤改良の対象地層中の水分を地表に放出する機構を示した図である。図２は、注入ロッド部１１の断面を示しており、先に述べた、内管１６の内部の電熱棒１８の断面が示されている。なお、図２において、スクリューオーガ２８は、説明の便宜のため省略して示している。
【００２８】
電熱棒１８は、図示しない発電機などの電源から電気の供給を受けて熱源として機能している。供給された電気は、電熱部３４の内部に設けられた電気抵抗部材によって熱に変換される。また、電熱部３４の地表方向上側には、断熱部３６が隣接して設けられており、電熱部３４で発生した熱が、地表側の装置等に伝導することを防止している。また、電熱棒１８に対する電気の供給量は適宜調節することができ、粘性土に対する放熱量を調整することができるようになっている。
【００２９】
内管１６の内壁と電熱棒１８との間には、上述したように空隙部が形成されており、この空隙部は、先述した改良プラントから圧送される空気Ａの空気流路３０として機能している。空気Ａは、改良プラントから空気流路３０を経て、注入ロッド部１１の地中側突端に向かって圧送される。圧送された空気Ａは、噴射口２２に至る手前で、電熱棒１８の電熱部３４から熱の供給を受けて加熱され、高温の空気Ｈとなった後、噴射口２２から地中へ噴射される。なお、後述する粉体改良材も、圧縮空気を伴い空気流路３０を通って噴射口２２から地中へ噴射される。なお、本発明の地盤改良システムにおける図示しない改良材プラントは、空気のみの圧送と、空気と改良材の混合物の圧送とを切り替えることが可能とされている。
【００３０】
高温の空気Ｈの噴射を受けた地盤１２の粘性土に含まれる水分Ｗは、空気Ｈの熱を吸収して気化し、水蒸気ＷＡとなる。次に、水蒸気ＷＡは、削孔時に撹拌翼２４と地盤１２との間に生じる隙間Ｂを経たのち、上述した外管１４の内壁と内管１６の外壁との間に形成された空隙部である、水蒸気流路３２を通って地表上に放出される。
【００３１】
ここで、スクリューオーガ２８が、水蒸気ＷＡを地表へ放出させる際に果たす機能について以下説明する。注入ロッド部１１の内管１６は、先に述べたように、図に示すＬ方向に回転しながら地盤１２に貫入される。図１には、スクリューオーガ２８が図に示すＬ方向に回転することによって、注入ロッド部１１の地中側端から地表側端方向に上昇する、気流Ｋが生じる態様が示されている。スクリューオーガ２８のスクリューは、注入ロッド部１１が地盤１２に貫入する際の内管１６の回転方向において、上昇気流Ｋが生じる向きに構成されている。従来の粉体噴射撹拌工法においては、改良材と分離した空気は、注入ロッド部１１の外周面に沿って、外周面と土との間に生じた隙間から地表に放出されていた。本発明においては、水蒸気ＷＡを地表に排出するための水蒸気流路３２を設けており、さらに、上述した気流Ｋにより、注入ロッド部１１の地中側端近傍に負圧が生じ、水蒸気ＷＡは水蒸気流路３２に導かれるようになっており、水蒸気ＷＡをより効率的に地表に排気することが可能になっている。また、スクリューオーガ２８は、内管１６がＬ方向に回転する場合、注入ロッド部１１の貫入に伴って水蒸気流路３２に入り込んだ土等を地表に排出する機能も同時に果たしており、スクリューオーガ２８によって、水蒸気流路３２は、土等によって目詰まりすることなく、常に適切に水蒸気の流路を確保している。
【００３２】
なお、本願の発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、たとえば、他の実施形態においては、内管１６と撹拌翼２４とを所定の配管によって接続し、撹拌翼２４に噴射ノズルを設けることもできる。また、撹拌翼２４の形状は腕木形式に限定されるものではなく、撹拌効率を向上させるために好適な形状を適宜選択することができる。また、内管１６の地中側突端に掘削爪２６を設けるようにすることもでき、さらに、撹拌翼２４に撹拌効率を向上させるための撹拌爪を配設することもできる。また、内管１６の内部に電熱棒１８および空気流路３０を設けずに、注入ロッド１０の外部に熱源を設け、高温の空気を外部で生成した後、所定の配管を通して圧送するように構成することもできる。さらに、水蒸気流路の地表側に排気ポンプなどの減圧手段を設け、強制的に水蒸気を排気するようにすることもでき、また、空気のみの圧送と、空気と改良材の混合物の圧送とを、地盤改良装置１０において切り替えることが可能なように構成することもできる。
【００３３】
図３および図４は、本発明の地盤改良装置１０が地盤１２の地中ＰＱ間に地盤改良体４０を形成する態様を示した図である。
【００３４】
図３は、土と改良材との撹拌混合に先立って、地盤改良の対象地層の土の含水比を減少させる工程を示した図である。図３（ａ）は、注入ロッド部１１が地盤１２に貫入される態様を示す。注入ロッド部１１は、噴射ノズル２０が地盤改良の対象地層の天端Ｐに至るまで貫入される。図３（ｂ）は、噴射ノズル２０が天端Ｐに到達した後、図示しない改良材プラントから内管１６の空気流路３０へ空気Ａが圧送され、噴射口２２から空気Ｈが噴射されるとともに、内管１６が、図に示すＬ方向に回転しながら、地盤１２を天端Ｐから底端Ｑに向かって所定の速度で貫入する態様を示す。貫入する速度は、地盤の含水比や、土質、あるいは、造成される改良体の必要強度に応じて適宜調節することができる。
【００３５】
注入ロッド部１１が、底端Ｑに向かって貫入される際、空気Ｈによって熱せられた粘性土は、撹拌翼２４が図に示すＬ方向に回転することによって順次撹拌される。撹拌された土粒子間からは水蒸気ＷＡが放出され、水蒸気ＷＡは、水蒸気流路３２を経て地表に放出される。注入ロッド部１１の噴射ノズル２０からの空気Ｈの噴射および撹拌翼２４による撹拌が、地盤改良の対象地層の底端Ｑに至るまで行われた後、内管１６の回転および空気Ａの圧送は一旦停止する。図３（ｃ）中の破線は、空気Ｈの噴射および撹拌翼２４による撹拌の結果、ＰＱ間の土の含水比が減少していることを示している。地盤改良の対象地層の含水比を減少させた後、土と改良材との撹拌混合の工程が開始される。
【００３６】
図４は、地盤改良の対象地層の含水比が減少した土と改良材とを撹拌混合して、地盤改良体４０を造成する工程を示した図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、地盤改良の対象地層の底端Ｑから天端Ｐにかけて、注入ロッド部１１の噴射ノズル２０から、改良材が噴射される態様を示す。粉粒状の改良材Ｓは、図示しない改良材プラントで空気Ａと混合され内管１６の空気流路３０に圧送される。
【００３７】
ここで、本考案の特定の実施の形態においては、粉粒状の改良材Ｓにセメント系の固化材を使用することができる。空気Ａは、電熱部３４から熱の供給を受けて加熱され、高温の空気Ｈとなり、改良材Ｓは、空気Ｈとともに噴射ノズル２０から噴射される。また同時に、内管１６は、図に示すＲ方向に回転し、撹拌翼２４は、図に示すＲ方向に回転することによって、含水比が減少した土と改良材Ｓとを順次撹拌混合する。注入ロッド部１１は、地盤改良の対象地層の底端Ｑから天端Ｐに向かって所定の速度で引き上げられ、地盤改良体４０が造成される。引き上げる速度は、土質または造成される改良体の必要強度等に応じて適宜調節することができる。図４（ｃ）は、造成された地盤改良体４０を示す。含水比が減少した土は、粘着性が低減しており、改良材Ｓと均等に撹拌混合されるため、地盤改良の対象地層における改良材Ｓの分布のばらつきが減少し、品質、強度において均一な地盤改良体４０が造成される。
【００３８】
なお、本願の発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、たとえば、他の実施形態においては、天端Ｐから底端Ｑに向かって注入ロッド部１１が貫入する過程で、高温の空気とともに改良材を噴射してもよく、また、底端Ｑから天端Ｐに向かって注入ロッド部１１を引き上げる過程で、圧送する空気を常温にすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明によれば、地盤改良に用いて好適な高圧噴射撹拌工法の施工方法および施工装置を提供すること可能であり、粘性土壌においても高品質・高強度の地盤改良体を造成することにより、軟弱地盤等の地盤改良を好適に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の高圧撹拌噴射工法の実施の形態を示した図。
【図２】地盤改良の対象地層の水分を地表に放出する機構を示した図。
【図３】地盤改良の対象地層の土の含水比を減少させる工程を示した図。
【図４】地盤改良の対象地層の含水比が減少した土と改良材とを撹拌混合して、地盤改良体を造成する工程を示した図。
【符号の説明】
【００４１】
１０…地盤改良装置、１１…注入ロッド部、１２…地盤、１４…外管、１６…内管、１８…電熱棒、２０…噴射ノズル、２２…噴射口、２４…撹拌翼
２６…掘削爪、２７…内管の外周面、２８…スクリューオーガ、３０…空気流路、３２…水蒸気流路、３４…電熱部、３６…断熱部、４０…地盤改良体
【図１】
2006283342.tif 000003
【図２】
2006283342.tif 000004
【図３】
2006283342.tif 000005
【図４】
2006283342.tif 000006